一、选择题2. 已知某线性时不变系统的冲激响应h(t)=u(t-1),则输入信号x(t)=e
-3tu(t)的零状态响应为______。
- A.(1-e-3(t-1))u(t-1)/3
- B.(1-e-3(t-1)/3)u(t-1)
- C.(1-e-3t/3)u(t-1)
- D.(1-e-3(t-1)/3)u(t)
A B C D
A
[解析] 根据常用拉氏变换和变换性质可知:

,

,所以零状态响应的拉氏变换为:Y
zs(s)=e
-s/[s(s+3)]=(e
-s/3)[1/s-1/(s+3)]。求其逆变换,得到:y
zs(t)=(1-e
-3(t-1))u(t-1)/3。
5. 信号x(t)=e
atu(-t)+e
-atu(t)傅里叶变换存在的条件是______。
A B C D
B
[解析] 信号的傅里叶变换存在的充要条件是在无限区间内满足绝对可积条件,即有

对于x(t)=e
atu(-t)+e
-atu(t),应满足

所以a>0。
二、填空题1. 连续时间信号f(t)与冲击函数δ(t)进行如下的运算,写出运算结果。
f(t)·δ(2t-1)=______
f(t)*δ(2t-1)=______

(1/2)f(1/2)δ(t-1/2);(1/2)f(t-1/2);(1/2)f(1/2);(1/2)f(1/2)ε(t-1/2)
[解析]
f(t)·δ(2t-1)=f(t)·δ[2(t-1/2)]=(1/2)f(t)δ(t-1/2)=(1/2)f(1/2)δ(t-1/2)
f(t)*δ(2t-1)=f(t)*(1/2)δ(t-1/2)=(1/2)f(t-1/2)

2. 已知某离散时间系统的频率响应特性如图所示,这是一个具有______滤波特性的系统。
带通
[解析] 带通滤波器的带内信号通过,带外信号滤除。带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他频率分量衰减到极低水平的滤波器。该题的滤波范围为0.8π~1.2π,-0.8π~-1.2π,因此是带通滤波器。
3.

u(t-1/3)/9
[解析] 首先需要利用冲激函数的尺度变换δ(at-b)=δ[a(t-b/a)]=δ(t-b/a)/|a|,所以δ(3τ-1)=δ(τ-1/3)/3,根据冲激函数与普通函数相乘的性质f(t)δ(t-t0)=f(t0)δ(t-t0),可以得到τδ(3τ-1)=δ(τ-1/3)/9,积分范围从负无穷到t是求已知函数的原函数,所以结果为u(t-1/3)/9。
4. 已知系统激励e(t)与响应y(t)的关系为

,判断系统的线性、时不变性和因果性。______;______;______。
非线性;时不变;非因果
[解析] 由于存在平方项e
2(τ),因此为非线性系统;当激励为e(t-t
0),输出为

因此系统为时不变系统;系统在t=1时刻的输出,还与1~3时刻的输入有关,因此为非因果系统。
四、计算题已知连续时间信号是一个实的周期信号,其傅里叶级数表达式为:

1. 试确定系数a,b,c,d。
根据指数形式傅里叶级数展开式

因为f(t)是实信号,所以
|F
-n|=|F
n|,φ
-n=-φ
n 又因为
f(t)=1+0.5e
j2π/3e
jt+ae
-jt+be
j2t+0.25e
jπ/4e
-j2t-0.15e
j3t+ce
-j3t+de
j4t+0.1e
-jπ/6e
-j4t 所以
a=0.5e
-j2π/3 b=0.25e
-jπ/4 c=0.15
d=0.1e
jπ/6
2. 若将该信号通过下图所示的理想低通滤波器,求系统的输出信号。
只有|ω|<2.5频率成分通过

Y
n=F
nH(jnω
0)
所以,有
Y
0=F
0=1
Y
1=0.5e
j2π/3e
-jπ/2,Y
-1=0.5e
-j2π/3e
jπ/2=j0.5e
-j2π/3 Y
2=0.25e
-jπ/4e
-jπ/2=0.25e
-j3π/4 Y
-2=0.25e
jπ/4e
jπ/2=0.25e
j3π/4 其余Y
n=0
所以
y(t)=1+0.5j(-e
j2π/3e
jt+e
-j2π/3e
-jt)+0.25(e
-j3π/4e
j2t+e
j3π/4e
-j2t)=1+sin(t+2π/3)+0.5cos(2t-3π/4)
3. 如图所示周期信号f(t)的单边拉普拉斯变换F(s)等于。
设f(t)的第一个周期的函数波形为f
0(t),因此有

其中
f
0(t)=t[ε(t)-ε(t-2)]+2[ε(t-2)-ε(t-4)]=tε(t)-(t-2)ε(t-2)-2ε(t-4)
根据tε(t)
↔1/s
2,利用时移性质(t-2)ε(t-2)
↔e
-2s/s
2,ε(t-4)
↔e
-4s/s,因此
F
0(s)=1/s
2-e
-2s/s
2-2e
-4s/s=(1-e
-2s-2se
-4s)/s
2
因此

已知一系统框图如下图所示:
4. 求系统函数H(s)。
设左侧求和器的输出的拉式变换为Q(s),因此可有如下关系

整理得到

5. 讨论K取值对系统稳定性的影响。
极点为

当K>0时,极点位于左半平面,系统稳定;当K<0时,极点位于右半平面,系统不稳定。
6. 若K=2,求h(t)。
当K=2时

已知某系统的框图如图(a)所示,其中系统的频率特性

输入信号f(t)的频谱F(jω)如图(b)所示。
7. 试画出信号f
1(t)和f
2(t)的频谱F
1(jω)和F
2(jω)。
f
1(t)=f(t)2cos(2000πt),傅里叶变换为

因此f
1(t)的频谱F
1(jω)如图1所示。
图1 
f
2(t)的傅里叶变换为

f
2(t)的频谱F
2(jω)如图2所示。
图2 且F
2(jω)的周期为200π。
8. 试求系统的输出y(t)。
系统的频率特性为

因此输出的傅里叶变换为

因此只保留(-20π,20π)内的波形,如图3所示。
图3 Y(jω)可以分解为Y
1(jω)和Y
2(jω),即Y(jω)=Y
1(jω)+Y
2(jω),其中Y
1(jω)和Y
2(jω)的波形如图4所示。
(a)
(b) 图4 其中Y
2(jω)是两个门函数的卷积,令此门函数为Y
3(jω),即Y
2(jω)=Y
3(jω)*Y
3(jω),其中Y
3(jω)的波形如图5所示。
图5 其中y
1(t)=10sin(20πt)/(t),

因此

9. 已知离散系统差分方程为y(n)-3y(n-1)+2y(n-2)=x(n)-x(n-1),其中x(n)=2
nε(n),y(-1)=2,y(-2)=3,求完全响应、零状态响应和零输入响应,并指出自由响应和强迫响应。
方程左右两边取z变换得到

整理得到

因此

反变换得到零状态响应y
zs(k)=k2
kε(k)+2
kε(k)。

反变换得到零输入响应y
zi(k)=4ε(k)-4×2
kε(k)。
全响应y(k)=y
zs(k)+y
zi(k)=k2
kε(k)-3×2
kε(k)+4ε(k)。
自由响应为-3×2
kε(k)+4ε(k),强迫响应为k2
kε(k)。
10. 已知连续时间信号x(t)=sin[2π(10
3t-1)]cos(2π×10
6t)/[2π(t-10
-3)]毫安,若它是能量信号,则试求其能谱密度和它在单位电阻上消耗的能量;若它是功率信号,则求其功率谱密度函数和它在单位电阻上消耗的平均功率。
设x
1(t)=sin[2π×10
3t]/(2πt)=10
3Sa(2π×10
3t),则有x
2(t)=x
1(t-10
-3);x(t)=x
2(t)cos(2π×10
6t)。
由于x
2(t)仅仅是对x
1(t)的时延;x(t)是对x
2(t)的调制;x
1(t)是能量信号,因此,整个x(t)也是能量信号。
利用帕什瓦尔定理求连续时间信号x(t)在单位电阻上消耗的能量。
由于g
τ(t)
↔τSa(τω/2),根据傅里叶变换的对称性,有τSa(tτ/2)
↔2πg
τ(-ω)=2πg
τ(ω)。
令τ=4π×10
3,则有

即

因此

由傅里叶变换的时移性质,得

又根据傅里叶变换的调制性质,有

因此,X(jω)的幅度频谱为
|X(jω)|=(1/2){|X
2[j(ω+2π×10
6)]|+|X
2[j(ω-2π×10
6)]|}
又因为

x(t)的幅度频谱|X(jω)|如下图所示。
所以,x(t)在单位电阻上消耗的能量E
x为

11. 某LTI系统的微分方程为y''(t)+5y'(t)+6y(t)=2f'(t)+6f(t),已知f(t)=ε(t),y(0
-)=2,y'(0
-)=-1。分别求出系统的零输入响应y
zi(t)、零状态响应y
zs(t)和全响应y(t)。
全响应=零输入响应+零状态响应,由于拉普拉斯变换的简单性,可以利S域求零状态响应,利用时域方法求零输入响应。
(1)零状态响应
将方程左右两边进行拉普拉斯变换:s
2Y(s)+5sY(s)+6Y(s)=2sF(s)+6F(s)。
根据常用函数的拉普拉斯变换f(t)
↔F(s)=1/s。
由此可以得到Y(s)=(2s+6)/[s(s
2+5s+6)]=2(s+3)/[s(s+2)(s+3)]=1/s-1/(s+2)。
进行拉普拉斯反变换得到y
zs(t)=u(t)-e
-2tu(t)。
(2)零输入响应
零输入响应的结构和齐次解一样,特征根为-2和-3,所以零输入响应的结构为y
zi(t)=C
1e
-2t+C
2e
-3t,根据初始条件y(0
-)=2,y'(0
-)=-1,代入零输入响应的结构可以得到

由此得到C
1=5,C
2=-3,y
zi(t)=(5e
-2t-3e
-3t)u(t)。
(3)全响应y(t)=y
zs(t)+y
zi(t)=(4e
-2t-3e
-3t+1)u(t)。
12. 在图(a)所示系统中,已知
f(t)=Sa(2t)/π,-∞<t<∞
s(t)=cos(5t),-∞<t<∞
带通滤波器的H(jω)如图(b)所示,φ(ω)=0。求零状态响应y(t)。
(a)
(b)
设f(t)
↔F(ω),s(t)
↔S(ω),f
1(t)
↔F
1(ω),y(t)
↔Y(ω),则
F(ω)=[u(ω+2)-u(ω-2)]/2
S(ω)=π[δ(ω+5)+δ(ω-5)]
F
1(ω)=F(ω)*S(ω)/(2π)=[u(ω+7)+u(ω-3)-u(ω+3)-u(ω-7)]/4
经过带通滤波器,输出信号如下图所示。
Y(jω)=F
1(ω)H(jω)=[u(ω+6)-u(ω+4)+u(ω-4)-u(ω-6)]/4
根据Sa(t)/π
↔G
2(ω)=u(ω+1)-u(ω-1),以及傅里叶变换的频移特性,可得y(t)=Sa(t)cos(5t)/(2π)。
13. 周期性信号f(t)的波形如下图所示,求其傅里叶级数展开的系数F
n。
周期信号的傅里叶变换的公式为

,其中F
n就是傅里叶系数,并且Ω=2π/T=πrad/s,傅里叶系数的公式为

,所以需要先求起一个周期函数f
0(t)的傅里叶变换,图像如图1所示:
图1
根据时域积分性质,f
0'(t)=g
2(t)-δ(t-1),图像如图2所示:
图2
其傅里叶变换为g
2(t)-δ(t-1)
↔2Sa(ω)-e
-jω,所以F
0(jω)=[2Sa(ω)-e
-jω]/jω,可以得到傅里叶系数为

14. 令LTI系统的冲激响应为h(t)=4e
-2tu(t)+e
-tu(t),求所对应的连续时间LTI系统的微分方程表达式。

因此(s
2+3s+2)Y(s)=(5s+6)F(s),反变换得到系统为微分方程为y"(t)+3y'(t)+2y(t)=5y'(t)+6y(t)。